Мобільна ДНК змушує бактерії жертвувати собою

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 71

Ріс. 1. Схематичний принцип перенесення кон’югативного транспозону (ICE) від клітини-донора до клітки-реципієнта. IntB13 — ген, який кодує інтегразу. Всі клітини P. Knackmussii позначені червоним флуоресцентним білком mcherry. Одну з двох копій ICEclc у геномі P. Knackmussii замінено на ген зеленого флуоресцентного білка (egfp) під промотором гена інтегрази (P_int). Клітини P. putida також містять у геномі ген зеленого білка, але без промотора. При потраплянні ICEclc в клітку-реципієнта та інтеграції в геном ген egfp отримує промотор і клітина починає світитися зеленим. Малюнок з обговорюваної статті в Current Biology

Горизонтальне перенесення ДНК (тобто обмін молекулами ДНК між клітинами) широко поширене серед бактерій і відіграє величезну роль в їх еволюції. Вчені з Університету Лозанни (Швейцарія) на прикладі двох видів бактерій з роду Pseudomonas уточнили механізм передачі мобільної ДНК від клітини до клітки. Вони простежили, в яких умовах бактерії передають один одному фрагменти хромосом, що містять цілі групи генів, відповідальні за певний процес, — так звані «геномні острівці». Для передачі такого елемента необхідна активація ферменту інтегрази, який здійснює вирізання відповідного шматка ДНК. Фермент випадковим чином включається тільки у 3-5% бактерій в популяції. Клітини, в яких він увімкнувся, погано діляться і часто гинуть. Вони формують специфічні маленькі колонії, добре відрізняються від колоній, що утворюються нормальними клітинами. Таке диференціювання забезпечує ген, названий shi («смерть»), що міститься в геномному острівці. Таким чином, мобільна ДНК сама контролює умови своєї передачі.

Бактерії мають величезне розмаїття фенотипів, що дозволяє їм жити практично де завгодно. Це розмаїття забезпечується здатністю бактерій передавати шматки ДНК, а разом з ними і генетичну інформацію, безпосередньо від клітини до клітини. Такий спосіб передачі інформації називається горизонтальним перенесенням генів, на відміну від вертикального перенесення, що передбачає передачу від предків до нащадків. Використовуючи здатність до горизонтального перенесення, клітина може поділитися з кліткою-сусідкою геном, що надає стійкість до антибіотика, або властивості вірулентності, або здатність метаболізувати нову речовину. Бактерії можуть здійснювати не тільки внутрішньовидовий обмін інформацією, а й обмін між різними видами. Таким чином, горизонтальне перенесення відіграє величезну роль в еволюції бактерій (детальніше про це див.: В еволюції бактерій горизонтальний генетичний обмін відіграє ту ж роль, що і статеве розмноження у вищих організмів, «Елементи», 09.04.2012). За оцінками, в геномах різних видів бактерій від 5 до 30% генетичної інформації з’явилося в результаті горизонтального перенесення. Можливе навіть перенесення генів від бактерій до еукаріотів — наприклад, агробактерії можуть передавати плазміди рослинам).

На щастя для нас, не кожна бактерія може передати або прийняти ДНК, і не всякий фрагмент ДНК може піддатися горизонтальному перенесенню — інакше бактерії дуже швидко навчилися б метаболізувати все навколо, в тому числі антибіотики. Здатність бактерій до горизонтального перенесення генів визначається як молекулярними механізмами, так і особливостями екології того чи іншого виду.

Шляхів перенесення генів існує кілька. Так, частини бактеріальної ДНК можуть захоплюватися вірусами-бактеріофагами і поширюватися разом з ними, див. трансдукція. Наприклад, бактеріофаги, що інфікують морські синьо-зелені водорості, можуть переносити навіть гени білків апарату фотосинтезу.

Бактерії можуть ділитися один з одним плазмідами — невеликими вільно плаваючими в цитоплазмі кільцевими молекулами ДНК, які на додаток до бактеріальної хромосоми кодують білки, що забезпечують різні адаптивні ознаки. Передача плазмідної ДНК здійснюється в основному при контакті двох бактеріальних клітин у процесі кон’югації. Відповідно, плазміди, якими обмінюються бактерії, називаються кон’югативними. Важливою особливістю плазмід є їх здатність репліціюватися, тобто створювати дочірні копії на матриці вихідної молекули.

Багато видів бактерій здатні поглинати екзогенну ДНК — цей процес називається трансформацією. Вільна ДНК може потрапити в середовище в результаті лізису, тобто загибелі навколишніх клітин. Деякі види здатні виділяти ДНК у середу активно за участю спеціальних білків.

Докладніше про горизонтальне перенесення генів і способи, якими він здійснюється, також можна прочитати в огляді С. В. Шестакова «Як відбувається і чим лімітується горизонтальне перенесення генів у бактерій» (PDF, 288 Кб).

Перенесення генетичної інформації всередині клітини здійснюють інсерційні послідовності і транспозони. Перші кодують тільки ферменти, необхідні для власного копіювання та вбудовування — однак вони можуть призвести до змін роботи того чи іншого гена в результаті вбудовування в кодуючу або регуляторну область. Транспозони — мобільні елементи геному, які можуть вирізатися, репліціюватися і вбудовуватися назад в інших місцях (часто в декількох копіях); вони переміщуються як цілісна структура. Різновидів транспозонів дуже багато, і крім апарату для власного розмноження вони можуть містити і щось корисне для клітини. Особливим різновидом є так звані інтегративні кон’югативні транспозони (integrating and conjugative elements, ICE). Ці мобільні фрагменти ДНК можуть бути передані іншій клітці. Для цього вони за певних умов вищеплюються з геному клітини-господаря (здійснюється ферментом інтегразою), потім вищеплена ділянка закільцьовується, передається клітці-реципієнту шляхом кон’югації і вбудовується не куди попало, а тільки за специфічними сайтами в геном реципієнта шляхом сайт-специфічної рекомбінації. Ці фрагменти досить великі і можуть містити велику кількість генів.

Коли ICE-елемент (кон’югативний транспозон) вбудовується в геном, він утворює «геномний острівець» — ділянку бактеріального геному, що містить цілу групу генів, необхідну для будь-якого процесу (наприклад, якщо ці гени необхідні для патогенезу, утворюється так званий «острівець патогенності»). Геномні острівці при аналізі бактеріального геному досить помітні, так як вони чужорідного походження і відрізняються за складом від навколишнього їх ДНК (в них більше вміст GC-пар). Іноді вони втрачають здатність передаватися іншим клітинам.

Добре вивчені геномні острівці, що володіють властивостями ICE-елементів, описані у Vibrio cholerae (збудника холери), Haemophilus influenza (викликає гемофільну інфекцію: бронхіти, менінгіти тощо) тощо.

Група вчених з Університету Лозанни (Швейцарія) вивчає властивості ICE-елементів у широко поширених бактерій з роду псевдомонад (Pseudomonas), що мешкають у ґрунті. У хромосомі у цих бактерій є геномний острівець, що володіє властивостями ICE-елемента. Оскільки він містить гени ферментів метаболізму деяких ароматичних речовин, у тому числі хлорокатехола (chlorocatechol), його позначають як ICEclc (див.: Marco Minoia et al., 2008. Stochasticity and bistability in horizontal transfer control of a genomic island in Pseudomonas). Він розташований після гена тРНК для амінокислоти гліцину.

Процес перенесення ICEclc починається з активації промотора гена інтегрази (промотор — це регуляторний елемент гена, відповідальний за його «включення»). Раніше на прикладі бактерії Pseudomonas knackmussii було показано, що інтеграза активується тільки в невеликій фракції клітин, причому це відбувається в стаціонарній фазі зростання, коли поживні речовини в середовищі вичерпані і зростання популяції припиняється. Для її активації необхідний білок InrR (integrase regulator) — регулятор інтегрази (див.: Marco Minoia et al., 2008. Stochasticity and bistability in horizontal transfer control of a genomic island in Pseudomonas). Він також синтезується тільки в деяких клітинах у невеликій кількості. Що визначає включення цих генів у клітинах у складі популяції, неясно. Передбачається, що включення InrR і, відповідно, активація інтегрази відбуваються стохастично (випадковим чином), в результаті деякого «транскрипційного шуму» в регуляторній області inrR.

Рис, 2. Зображення бактерій, отримане за допомогою епіфлуоресцентної мікроскопії з уповільненою зйомкою. Клітини-донори світяться червоним, активні донори — жовтим (в результаті накладення червоного і зеленого). Крім того, активні донори мають більш витягнуту форму. Клітини-реципієнти, які отримали ICE-елемент, світяться зеленим. На малюнку зазначено, що бактерія, яка отримала ICE-елемент, поступово розгорається (a), в той час як донор, який передав їй ДНК, гине (b). З обговорюваної статті в Current Biology

У своїй новій статті автори простежили за долею окремих клітин і процесом передачі ICEclc за допомогою епіфлуоресцентної мікроскопії з уповільненою зйомкою і показали, що клітини, в яких відбулася активація інтегрази, поводяться інакше, ніж інші.

В експерименті використовували два види бактерій — Pseudomonas knackmussii як донор ICEclc і Pseudomonas putida як реципієнт. Для того щоб зафіксувати факт передачі ДНК, в геном бактерій були внесені деякі зміни (рис. 1). Донорні клітини були позначені червоним флуоресцентним білком (mCherry) шляхом вбудовування копії кодуючого його гена в геном бактерій. Оскільки P. knackmussii містить дві копії ICEclc, в одній з них інтегразу замінили на ген зеленого флуоресцентного білка (egfp) під контролем промотора інтегрази (Pint). Таким чином вийшло, що червоний білок синтезували всі клітини P. Knackmussii, а зелений — тільки ті, в яких активувалася інтеграза. У результаті накладення червоного і зеленого активні донори під мікроскопом виглядають жовтими. Клітини-реципієнти містили ген зеленого білка, перед яким не було регуляторного елемента, тобто сам по собі він не працював. Однак інтегрований фрагмент ДНК містив регуляторну область, тому, якщо інтеграція ICEclc відбувалася, він починав світитися (рис. 1, 2).

В результаті експерименту дослідники підтвердили, що тільки невелика частина клітин в популяції (3-5%) може передавати генетичну інформацію. Реципієнти можуть отримувати ДНК тільки при прямому фізичному контакті з активними донорами. Однак здатність передавати ДНК не приносить клітинам користі. Активація ICEclc призводила до того, що клітини при приміщенні на свіже живильне середовище ділилися рідко або взагалі не ділилися і часто гинули. Клітини з активною інтегразою формували окремі мікроколонії, добре відмінні від колоній нормальних клітин.

Вивчивши послідовність ДНК ICEclc, автори виявили ген, відповідальний за формування мікроколоній. Введення цього гена в клітини P. putida, що не містять ICEclc, викликало значне уповільнення їх зростання. Ген назвали shi, що японською означає «смерть». Клітини, які отримали копію shi, мали характерну витягнуту форму і формували на живильному середовищі мікроколонії. Після делеції цього гена з ICEclc інтеграза в клітинах як і раніше могла активуватися і клітини могли передавати ДНК, проте процес передачі відбувався в п’ять разів рідше.

Рис, 3. Утворення специфічних мікроколоній (значно менших за розміром) клітинами з активною інтегразою (жовті). Їх зростання істотно уповільнене порівняно зі звичайними клітинами (червоні). На врізках фазово-контрастне зображення мікроколоній, на якому можна помітити загибель клітин з часом. З обговорюваної статті в Current Biology

Чому ж носії активного ICE-елементу погано себе почувають і рідко діляться? Передбачається, що підготовка до процесу кон’югації вимагає від цих клітин великої кількості ресурсів, яких ніде взяти в умовах виснаженого середовища, тому їм буквально доводиться займати ресурси у себе. Таким чином, клітинам доводиться дотримуватися балансу між самозбереження і ефективністю горизонтального перенесення, яку забезпечує «смертельний» ген shi. Функції цього гена поки неясні, проте зрозуміло, що без нього передача ДНК ускладнена і що він псує клітинам життя.

Феномен поділу популяції бактерій на дві субпопуляції при горизонтальному перенесенні генів відомий біля виду Bacillus subtilis, однак він пов’язаний з трансформацією, а не з передачею мобільної ДНК. У бактерій роду Enterococcus відоме явище «готовності до передачі ДНК» (transfer competence), коли клітини, які хочуть отримати плазміду, стимулюють потенційних донорів за допомогою пептидних феромонів, але клітинної диференціації при цьому не спостерігається. Однак оскільки елементи, подібні до ICEclc, часто зустрічаються в бактеріальних геномах, явище диференціації клітин для горизонтального перенесення напевно широко поширене. Описаний механізм змушує згадати про концепцію «егоїстичного гена» — мобільна ДНК буквально контролює поведінку клітини-господаря, змушуючи його йти на жертви заради свого поширення.

Джерело: Friedrich Reinhard, Ryo Miyazaki, Nicolas Pradervand, Jan Roelof van der Meer. Cell Differentiation to «Mating Bodies» Induced by an Integrating and Conjugative Element in Free-Living Bacteria // Current Biology. February 4, 2013. V. 23. P. 255–259. Doi: 10.1016/j.cub.2012.12.025.

Див. також:

Marco Minoia, Muriel Gaillard, Friedrich Reinhard, Milos Stojanov, Vladimir Sentchilo, Jan Roelof van der Meer. Stochasticity and bistability in horizontal transfer control of a genomic island in Pseudomonas (полный текст) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. December 30, 2008. V. 105(52). P. 20792–20797. Doi: 10.1073/pnas.0806164106.

Дарина Спаська